Войти
| Часть серии о |
| Классическая механика |
|---|
| Второй закон движения |
| Ветви |
| Основы |
| Составы |
| Основные темы |
| Вращение |
| Ученые |
|
|
| Часть цикла статей о |
| Квантовая механика |
|---|
| уравнение Шрёдингера |
| Фон |
| Основы |
| Эксперименты |
| Составы |
| Уравнения |
| Интерпретации |
| Расширенные темы |
Ученые
|
|
Механика (от древнегреческого : μηχανική, mēkhanikḗ, букв. « машин ») — область математики и физики, занимающаяся отношениями между силой, материей и движением между физическими объектами. Силы, приложенные к объектам, приводят к смещениям или изменениям положения объекта относительно окружающей среды.
Теоретические изложения этой области физики берут свое начало в Древней Греции, например, в трудах Аристотеля и Архимеда (см. История классической механики и Хронология классической механики ). В период раннего Нового времени такие ученые, как Галилей, Кеплер, Гюйгенс и Ньютон, заложили основу того, что сейчас известно как классическая механика.
Как раздел классической физики механика имеет дело с телами, которые либо покоятся, либо движутся со скоростями, значительно меньшими скорости света. Его также можно определить как физическую науку, изучающую движение тел и силы, действующие на них, не в квантовой сфере.
Древнегреческие философы были одними из первых, кто предположил, что абстрактные принципы управляют природой. Основной теорией механики в древности была аристотелевская механика, хотя альтернативная теория раскрывается в псевдоаристотелевских механических проблемах, часто приписываемых одному из его преемников.
Есть еще одна традиция, восходящая к древним грекам, где математика более широко использовалась для статического или динамического анализа тел, подход, который, возможно, был стимулирован предшествующими работами пифагорейца Архита. Примеры этой традиции включают псевдо- Евклида ( «О равновесии »), Архимеда (« О равновесии плоскостей», «О плавающих телах »), Героя ( «Механика ») и Паппа ( «Собрание», книга VIII).
Арабская машина в рукописи неизвестной даты. В средние века теории Аристотеля подвергались критике и модификации рядом деятелей, начиная с Иоанна Филопона в 6 веке. Центральной проблемой была проблема движения снарядов, которую обсуждали Гиппарх и Филопон.
Персидский исламский эрудит Ибн Сина опубликовал свою теорию движения в «Книге исцеления» (1020 г.). Он сказал, что метатель сообщает снаряду импульс, и рассматривал его как постоянный, требующий внешних сил, таких как сопротивление воздуха, для его рассеивания. Ибн Сина проводил различие между «силой» и «наклонностью» (называемой «майл») и утверждал, что объект получает майл, когда объект противостоит своему естественному движению. Таким образом, он пришел к выводу, что продолжение движения связано с наклоном, который передается объекту, и этот объект будет двигаться до тех пор, пока не будет израсходован майл. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать, что согласуется с первым законом движения Ньютона.
На вопрос о теле, на которое действует постоянная (равномерная) сила, еврейско-арабский ученый XII века Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдаади (урожденный Натанил, иракец из Багдада) заявил, что постоянная сила придает постоянное ускорение. Согласно Шломо Пайнсу, теория движения аль-Багдаади была «самым древним отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила вызывает равномерное движение], [и, таким образом, является] смутным предвосхищением фундаментального закона». закон классической механики [а именно, что сила, приложенная непрерывно, производит ускорение]».
Под влиянием более ранних писателей, таких как Ибн Сина и аль-Багдаади, французский священник 14-го века Жан Буридан разработал теорию импульса, которая позже превратилась в современные теории инерции, скорости, ускорения и импульса. Эта и другие работы были разработаны в Англии 14-го века оксфордскими калькуляторами, такими как Томас Брэдвардин, который изучал и формулировал различные законы относительно падающих тел. Представление о том, что основными свойствами тела является равноускоренное движение (как у падающих тел), было разработано оксфордскими калькуляторами 14 века.
Первое европейское изображение поршневого насоса работы Такколы, ок. 1450. Две центральные фигуры раннего Нового времени — Галилео Галилей и Исаак Ньютон. Последнее утверждение Галилея о его механике, особенно о падающих телах, - это его « Две новые науки» (1638 г.). В « Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» Ньютона 1687 г. содержится подробное математическое описание механики с использованием недавно разработанной математики исчисления и обеспечение основы ньютоновской механики.
Существует некоторый спор о приоритетности различных идей: «Начала » Ньютона, безусловно, являются основополагающей работой и оказали огромное влияние, и многие математические результаты, содержащиеся в ней, не могли быть сформулированы ранее без развития исчисления. Однако многие идеи, особенно касающиеся инерции и падающих тел, были развиты предшествующими учеными, такими как Христиан Гюйгенс, и менее известными средневековыми предшественниками. Точное признание иногда бывает трудным или спорным, потому что научный язык и стандарты доказательства изменились, поэтому вопрос о том, эквивалентны ли средневековые утверждения современным утверждениям или достаточным доказательствам, или вместо этого они похожи на современные утверждения и гипотезы, часто является спорным.
Двумя основными современными достижениями в области механики являются общая теория относительности Эйнштейна и квантовая механика, которые были разработаны в 20-м веке и частично основаны на более ранних идеях 19-го века. Развитие современной механики сплошных сред, особенно в областях упругости, пластичности, гидродинамики, электродинамики и термодинамики деформируемых сред, началось во второй половине 20 в.
Часто используемый термин « тело» должен обозначать широкий спектр объектов, включая частицы, снаряды, космические корабли, звезды, части механизмов, части твердых тел, части жидкостей ( газы и жидкости ) и т. д.
Другие различия между различными разделами механики касаются природы описываемых тел. Частицы — это тела с малоизвестной внутренней структурой, рассматриваемые в классической механике как математические точки. Твердые тела имеют размер и форму, но сохраняют простоту, близкую к простоте частицы, добавляя лишь несколько так называемых степеней свободы, например ориентацию в пространстве.
В противном случае тела могут быть полужесткими, т. е. упругими, или нежесткими, т. е. текучими. Эти предметы имеют как классический, так и квантовый разделы изучения.
Например, движение космического корабля по его орбите и положению ( вращение ) описывается релятивистской теорией классической механики, а аналогичные движения атомного ядра описываются квантовой механикой.
Ниже приведены два списка различных предметов, изучаемых механикой.
Обратите внимание, что существует также « теория полей », которая составляет отдельную дисциплину в физике, формально рассматриваемую как отдельную от механики, будь то классические поля или квантовые поля. Но на практике предметы, относящиеся к механике и полям, тесно переплетаются. Так, например, силы, действующие на частицы, часто возникают из полей ( электромагнитных или гравитационных ), а частицы генерируют поля, выступая в качестве источников. На самом деле в квантовой механике сами частицы являются полями, теоретически описываемыми волновой функцией.
Следующие элементы описываются как формирующие классическую механику:
К квантовой механике относятся:
Исторически классическая механика существовала почти за четверть тысячелетия до появления квантовой механики. Классическая механика возникла из законов движения Исаака Ньютона в « Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica», разработанных в семнадцатом веке. Квантовая механика развилась позже, в девятнадцатом веке, благодаря постулату Планка и объяснению фотоэлектрического эффекта Альбертом Эйнштейном. Обычно считается, что обе области представляют собой наиболее достоверное знание, которое существует о физической природе.
Классическая механика особенно часто рассматривалась как модель для других так называемых точных наук. Существенным в этом отношении является широкое использование математики в теориях, а также решающая роль эксперимента в их порождении и проверке.
Квантовая механика имеет более широкий охват, поскольку она охватывает классическую механику как субдисциплину, которая применяется при определенных ограниченных обстоятельствах. Согласно принципу соответствия, между двумя субъектами нет противоречия или конфликта, каждый просто относится к конкретным ситуациям. Принцип соответствия утверждает, что поведение систем, описываемых квантовыми теориями, воспроизводит классическую физику в пределе больших квантовых чисел, т. е. если квантовая механика применяется к большим системам (например, к бейсбольному мячу), результат будет почти таким же, если классическая механика было применено. Квантовая механика заменила классическую механику на фундаментальном уровне и незаменима для объяснения и предсказания процессов на молекулярном, атомном и субатомном уровне. Однако для макроскопических процессов классическая механика способна решать проблемы, которые неуправляемо сложны (в основном из-за вычислительных ограничений) в квантовой механике и, следовательно, остаются полезными и широко используемыми. Современные описания такого поведения начинаются с тщательного определения таких величин, как перемещение (пройденное расстояние), время, скорость, ускорение, масса и сила. Однако примерно 400 лет назад движение объяснялось совсем с другой точки зрения. Например, следуя идеям греческого философа и ученого Аристотеля, ученые рассуждали, что пушечное ядро падает, потому что его естественное положение находится в Земле; солнце, луна и звезды движутся по кругу вокруг земли, потому что природа небесных объектов — двигаться по идеальному кругу.
Галилей, которого часто называют отцом современной науки, объединил идеи других великих мыслителей своего времени и начал вычислять движение с точки зрения расстояния, пройденного из некоторого исходного положения, и времени, затраченного на это. Он показал, что скорость падающих предметов неуклонно возрастает во время их падения. Это ускорение для тяжелых предметов такое же, как и для легких, если не учитывать трение (сопротивление воздуха) воздуха. Английский математик и физик Исаак Ньютон усовершенствовал этот анализ, определив силу и массу и связав их с ускорением. Для объектов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, законы Ньютона были заменены теорией относительности Альберта Эйнштейна. [Предложение, иллюстрирующее вычислительную сложность теории относительности Эйнштейна.] Для атомных и субатомных частиц законы Ньютона были заменены квантовой теорией. Однако для повседневных явлений три закона движения Ньютона остаются краеугольным камнем динамики, которая является изучением того, что вызывает движение.
Подобно различию между квантовой и классической механикой, общая и специальная теории относительности Альберта Эйнштейна расширили рамки формулировок механики Ньютона и Галилея. Различия между релятивистской и ньютоновской механикой становятся существенными и даже доминирующими по мере того, как скорость тела приближается к скорости света. Например, в ньютоновской механике кинетическая энергия свободной частицы равна E = 1/2mv 2, тогда как в релятивистской механике это E = ( γ − 1) mc 2 (где γ — фактор Лоренца ; эта формула сводится к ньютоновскому выражению в пределе низких энергий).
Для высокоэнергетических процессов квантовая механика должна быть скорректирована с учетом специальной теории относительности; это привело к развитию квантовой теории поля.
Портал физики 
Категория